CN105395201A - 一种肺功能测量仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种肺功能测量仪及其测量方法，包括主机身、测量气筒、进气口、出气口、气压传感器、液晶显示屏、开关按钮及肺功能测量组件；进气口设置在测量气筒的一端，出气口设置在测量气筒的另一端，气压传感器设置在测量气筒内，主机身连接在测量气筒的下端一侧，液晶显示屏及开关按钮分别嵌入安装在主机身上，肺功能测量组件设置在主机身内，肺功能测量组件包括主控制器、实时时钟、电源、蜂鸣器及通信器。本发明通过压差传感器的方式测量PEF、FEV1和FVC等与哮喘病情波动最为相关的参数；可通过蓝牙、近场通信（NFC）等无线通信技术与智能手机、平板电脑等通信；可由移动应用设置相关信息，如测量提醒，测量预警等。

Description

一种肺功能测量仪及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种肺功能的测量用具，尤其涉及一种肺功能测量仪及其测量方法。

背景技术

国内约有3000万哮喘患者，目前只有不到5％的患者能实现哮喘的有效控制。另一方面中国有超过4000万的慢阻肺患者。哮喘和慢阻肺都是气道阻塞性疾病。通过连续测量患者呼气峰值流速(peakexpiratoryflow，PEF)简称峰流速；一秒用力呼气流量(Forcedexpiratoryvolumeinonesecond，FEV1)简称一秒率；用力肺活量(forcedvitalcapacity，FVC)能判断哮喘患者目前的病情波动，及时知道近期的急性发作风险。及时干预可降低患者急性发作概率，同时长期的肺功能监测也能让医生更好评估患者病情。

肺功能仪一般分为以下几类：

①压差式：其原理为气流引起气压的变化，通过压力传感器测得气压计算出气流速并转变为相应的肺参数。

②热敏式：其原理为气流引起传感器温度变化，通过温度的变化计算出气体流速并转变为相应的肺参数。

③体积式：其原理为收集所有呼出气体，通过体积变化与时间的关系换算出相应的肺参数。

发明内容

本发明的目的：提供一种肺功能测量仪及其测量方法，针对哮喘、慢阻肺患者需要测量的两个参数、以及家庭测量对精度要求相对医院偏低等特点，利用压差方式来测量高流速下的几个肺功能参数PEF\FEV1\FVC。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种肺功能测量仪，包括主机身、测量气筒、进气口、出气口、气压传感器、液晶显示屏、开关按钮及肺功能测量组件；所述的测量气筒为两端开口的中空的圆筒状结构，所述的进气口设置在所述的测量气筒的一端，所述的出气口设置在所述的测量气筒的另一端，所述的出气口的口径小于所述的进气口的口径；所述的气压传感器设置在所述的测量气筒内，位于所述的出气口的内侧；所述的主机身连接在所述的测量气筒的下端一侧，所述的液晶显示屏及开关按钮分别嵌入安装在所述的主机身上，所述的开关按钮位于所述的液晶显示屏的下方；所述的肺功能测量组件设置在所述的主机身内，所述的肺功能测量组件包括主控制器、实时时钟、电源、蜂鸣器及通信器；所述的气压传感器、开关按钮及电源的输出端分别与所述的主控制器的输入端连接，所述的实时时钟及通信器分别与所述的主控制器双向连接，所述的通信器通过无线网络外接智能终端设备，所述的主控制器的输出端分别与所述的蜂鸣器及液晶显示屏的输入端连接。

上述的肺功能测量仪，其中，所述的电源为锂电池或型号为CH4054的电源，所述的主控制器的型号为STM32F103，所述的通信器为型号为CC254X的蓝牙装置或型号为SIM900A的GPRS装置。

上述的肺功能测量仪，其中，所述的气压传感器的型号为MP3V5004DP。

一种肺功能测量仪的测量方法，该方法至少包括如下步骤：

步骤1：初始化，判断是否等待测量，若是，则执行步骤2，若否，则判断是否进行蓝牙通信。

步骤2：开始呼气，使气体通过测量气筒，引起测量气筒内的气压变化。

步骤3：所述的气压传感器检测测量气筒内的气压。

步骤4：所述的肺功能测量组件将气压变化转换为气体流速变化，并计算流速积分。

步骤5：将流速积分转变为气体容积。

步骤6：查找最大流速作为峰流速PEF。

步骤6：计算开始呼气到1s时的容积为FEV1。

步骤7：计算开始呼气到结束时的容积为FVC。

步骤8：计算结果通过所述的液晶显示屏显示并存储。

步骤9：判断是否关机，若是，则关机，若否，则返回步骤1。

上述的肺功能测量仪的测量方法，其中，在所述的步骤1中，还包括如下分步骤：

步骤1.1：判断是否进行蓝牙通信，若是，则执行步骤1.2，若否，则返回步骤1。

步骤1.2：通过所述的通信器进行数据通信，数据通信结束后执行步骤9。

上述的肺功能测量仪的测量方法，其中，在所述的步骤3中，所述的测量气筒中的气压的变化与时间的关系为：气压p越大，气体流速w越高：记作：p＝f(t)，(1)。

上述的肺功能测量仪的测量方法，其中，在所述的步骤4中，测量时气体流速w与时间t的关系为w＝f(p)，(2)；

其中，f(p)＝a₀·pⁿ+a₁·p^n-1+…+a_n·p+w₀，(4)。

上述的肺功能测量仪的测量方法，其中，在所述的步骤6中，峰流速PEF为最大的流速，FEV₁＝S₁，(4)

FVC＝S₁+S₂，(5)

$S_1={\∫}_0^{1}f\left(p\right)dt,---\left(6\right)$

$FVC={\∫}_0^{t_0}f\left(p\right)dt,---\left(7\right);$

公式(3)中的多项式系数与气筒直、进气口、出气口大小相关，过程中可通过标准流量计多次测量拟合出多项式曲线，即实际测得a₀、a₁……a_n、w₀；

公式(1)p＝f(t)中曲线可通过实时监测的气压传感器测得：曲线中最大点对应的气体流速就是峰流速PEF。

上述的肺功能测量仪的测量方法，其中，在所述的步骤7中，根据公式(3)、公式(1)、公式(6)可计算得出FVE1。

上述的肺功能测量仪的测量方法，其中，在所述的步骤8中，根据公式(3)、公式(1)、公式(7)可计算得出FVC。

本发明通过压差传感器的方式测量PEF、FEV1和FVC等与哮喘病情波动最为相关的参数；可通过蓝牙、近场通信(NFC)等无线通信技术与智能手机、平板电脑等通信；可由移动应用设置相关信息，如测量提醒，测量预警等。

附图说明

图1是本发明一种肺功能测量仪的结构示意图。

图2是本发明一种肺功能测量仪的肺功能测量组件的连接框图。

图3是本发明一种肺功能测量仪的测量方法的流程图。

图4是正常呼吸时气压p与时间t的关系图。

图5是本发明一种肺功能测量仪的测量气筒中气体流速w与气压p的关系图。

图6是本发明一种肺功能测量仪测量时气体流速w与时间t的关系图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明的实施例。

请参见附图1及附图2所示，一种肺功能测量仪，包括主机身1、测量气筒2、进气口3、出气口4、气压传感器5、液晶显示屏6、开关按钮7及肺功能测量组件；所述的测量气筒2为两端开口的中空的圆筒状结构，所述的进气口3设置在所述的测量气筒2的一端，所述的出气口4设置在所述的测量气筒2的另一端，所述的出气口4的口径小于所述的进气口3的口径；所述的气压传感器5设置在所述的测量气筒2内，位于所述的出气口4的内侧；所述的主机身1连接在所述的测量气筒2的下端一侧，所述的液晶显示屏6及开关按钮7分别嵌入安装在所述的主机身1上，所述的开关按钮7位于所述的液晶显示屏6的下方；所述的肺功能测量组件设置在所述的主机身1内，所述的肺功能测量组件包括主控制器8、实时时钟9、电源10、蜂鸣器11及通信器12；所述的气压传感器5、开关按钮7及电源10的输出端分别与所述的主控制器8的输入端连接，所述的实时时钟9及通信器12分别与所述的主控制器8双向连接，所述的通信器12通过无线网络外接智能终端设备，所述的主控制器8的输出端分别与所述的蜂鸣器11及液晶显示屏6的输入端连接。

所述的电源10为锂电池或型号为CH4054的电源。

所述的气压传感器5的型号为MP3V5004DP。

所述的通信器12为蓝牙装置或GPRS装置。

所述的蓝牙装置的型号为CC254X，所述的GPRS装置的型号为SIM900A。

所述的主控制器8的型号为STM32F103。

液晶显示屏6实现测量信息等显示，开关按钮7可对设备进行开关机操作。使用时，先开机、然后对着进气口3用力呼气、设备测量完成后、进行数据显示并等待下一次测量。

本发明的原理为：当呼气时，气体从进气口3进入测量气筒2，由于出气口4比进气口3小，测量气筒2内的气压会大于外界大气压，气压传感器5可实时检测出测量气筒2中的气压，利用压差实现气体流速的测量，同时再利用流速的积分推算气体容积。

请参见附图3所示，一种肺功能测量仪的测量方法，该方法至少包括如下步骤：

步骤1：初始化，判断是否等待测量，若是，则执行步骤2，若否，则判断是否进行蓝牙通信。

步骤2：开始呼气，使气体通过测量气筒2，引起测量气筒2内的气压变化。

步骤3：所述的气压传感器5检测测量气筒2内的气压。

步骤4：所述的肺功能测量组件将气压变化转换为气体流速变化，并计算流速积分。

步骤5：将流速积分转变为气体容积。

步骤6：查找最大流速作为峰流速PEF。

步骤6：计算开始呼气到1s时的容积为FEV1。

步骤7：计算开始呼气到结束时的容积为FVC。

步骤8：计算结果通过所述的液晶显示屏6显示并存储。

步骤9：判断是否关机，若是，则关机，若否，则返回步骤1。

请参见附图4所示，正常呼气测量肺功能时所测气压p和时间t的关系图：气压p变化趋势是从呼气开始气压迅速增大再减小。

在所述的步骤1中，还包括如下分步骤：

步骤1.1：判断是否进行蓝牙通信，若是，则执行步骤1.2，若否，则返回步骤1。

步骤1.2：通过所述的通信器12进行数据通信，数据通信结束后执行步骤9。

请参见附图4所示，在所述的步骤3中，所述的测量气筒2中的气压的变化与时间的关系为：气压p越大，气体流速w越高：记作：p＝f(t)。(1)

请参见附图5所示，在所述的步骤4中，测量时气体流速w与时间t的关系为w＝f(p)。(2)

其中，f(p)＝a₀·pⁿ+a₁·p^n-1+…+a_n·p+w₀。(3)

图中：s₁、s₂为阴影部分面积，t₀为呼气结束时的时间。

在所述的步骤6中，峰流速PEF为最大的流速，FEV₁＝S₁。(4)

FVC＝S₁+S₂(5)

$S_1={\∫}_0^{1}f\left(p\right)dt---\left(6\right)$

$FVC={\∫}_0^{t_0}f\left(p\right)dt---\left(7\right)$

公式(3)中的多项式系数与气筒直、进气口、出气口大小相关。过程中可通过标准流量计多次测量拟合出多项式曲线，即实际测得a₀、a₁……a_n、w₀。

公式(1)p＝f(t)中曲线在工程中可通过实时监测的气压传感器5测得：曲线中最大点对应的气体流速就是峰流速PEF。

t₀为一次呼气结束的时间，可通过主控制器测得。

在所述的步骤7中，根据公式(3)、公式(1)、公式(6)可计算得出FVE1。

在所述的步骤8中，根据公式(3)、公式(1)、公式(7)可计算得出FVC。

综上所述，本发明通过压差传感器的方式测量PEF、FEV1和FVC等与哮喘病情波动最为相关的参数；可通过蓝牙、近场通信(NFC)等无线通信技术与智能手机、平板电脑等通信；可由移动应用设置相关信息，如测量提醒，测量预警等。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用附属在其他相关产品的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种肺功能测量仪，其特征在于：包括主机身、测量气筒、进气口、出气口、气压传感器、液晶显示屏、开关按钮及肺功能测量组件；所述的测量气筒为两端开口的中空的圆筒状结构，所述的进气口设置在所述的测量气筒的一端，所述的出气口设置在所述的测量气筒的另一端，所述的出气口的口径小于所述的进气口的口径；所述的气压传感器设置在所述的测量气筒内，位于所述的出气口的内侧；所述的主机身连接在所述的测量气筒的下端一侧，所述的液晶显示屏及开关按钮分别嵌入安装在所述的主机身上，所述的开关按钮位于所述的液晶显示屏的下方；所述的肺功能测量组件设置在所述的主机身内，所述的肺功能测量组件包括主控制器、实时时钟、电源、蜂鸣器及通信器；所述的气压传感器、开关按钮及电源的输出端分别与所述的主控制器的输入端连接，所述的实时时钟及通信器分别与所述的主控制器双向连接，所述的通信器通过无线网络外接智能终端设备，所述的主控制器的输出端分别与所述的蜂鸣器及液晶显示屏的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的肺功能测量仪，其特征在于：所述的电源为锂电池或型号为CH4054的电源，所述的主控制器的型号为STM32F103，所述的通信器为型号为CC254X的蓝牙装置或型号为SIM900A的GPRS装置。

3.根据权利要求1所述的肺功能测量仪，其特征在于：所述的气压传感器的型号为MP3V5004DP。

4.一种利用权利要求1-3任意一项的肺功能测量仪的测量方法，其特征在于：该方法至少包括如下步骤：

步骤1：初始化，判断是否等待测量，若是，则执行步骤2，若否，则判断是否进行蓝牙通信；

步骤2：开始呼气，使气体通过测量气筒，引起测量气筒内的气压变化；

步骤3：所述的气压传感器检测测量气筒内的气压；

步骤4：所述的肺功能测量组件将气压变化转换为气体流速变化，并计算流速积分；

步骤5：将流速积分转变为气体容积；

步骤6：查找最大流速作为峰流速PEF；

步骤6：计算开始呼气到1s时的容积为FEV1；

步骤7：计算开始呼气到结束时的容积为FVC；

步骤8：计算结果通过所述的液晶显示屏显示并存储；

步骤9：判断是否关机，若是，则关机，若否，则返回步骤1。

5.根据权利要求4所述的肺功能测量仪的测量方法，其特征在于：在所述的步骤1中，还包括如下分步骤：

步骤1.1：判断是否进行蓝牙通信，若是，则执行步骤1.2，若否，则返回步骤1；

步骤1.2：通过所述的通信器进行数据通信，数据通信结束后执行步骤9。

6.根据权利要求4所述的肺功能测量仪的测量方法，其特征在于：在所述的步骤3中，所述的测量气筒中的气压的变化与时间的关系为：气压p越大，气体流速w越高：记作：p＝f(t)，(1)。

7.根据权利要求6所述的肺功能测量仪的测量方法，其特征在于：在所述的步骤4中，测量时气体流速w与时间t的关系为w＝f(p)，(2)；

其中，f(p)＝a₀·pⁿ+a₁·p^n-1+…+a_n·p+w₀，(3)。

8.根据权利要求7所述的肺功能测量仪的测量方法，其特征在于：在所述的步骤6中，峰流速PEF为最大的流速，FEV₁＝S₁，(4)

FVC＝S₁+S₂，(5)

公式(3)中的多项式系数与气筒直、进气口、出气口大小相关，过程中可通过标准流量计多次测量拟合出多项式曲线，即实际测得

a₀、a₁……a_n、w₀；

公式(1)p＝f(t)中曲线可通过实时监测的气压传感器测得：曲线中最大点对应的气体流速就是峰流速PEF。

9.根据权利要求8所述的肺功能测量仪的测量方法，其特征在于：在所述的步骤7中，根据公式(3)、公式(1)、公式(6)可计算得出FVE1。

10.根据权利要求8所述的肺功能测量仪的测量方法，其特征在于：在所述的步骤8中，根据公式(3)、公式(1)、公式(7)可计算得出FVC。